POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH Dr inż. Eligiusz PAWŁOWSKI Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki Prezentacja do wykładu dla EMST Semestr letni Wykład nr 1
Prawo autorskie Niniejsze materiały podlegają ochronie zgodnie z Ustawą o prawie autorskim i prawach pokrewnych (Dz.U. 1994 nr 24 poz. 83 z późniejszymi zmianami). Materiał te udostępniam do celów dydaktycznych jako materiały pomocnicze do wykładu z przedmiotu Pomiary Wielkości Nieelektrycznych prowadzonego dla studentów Wydziału Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej. Mogą z nich również korzystać inne osoby zainteresowane tą tematyką. Do tego celu materiały te można bez ograniczeń przeglądać, drukować i kopiować wyłącznie w całości. Wykorzystywanie tych materiałów bez zgody autora w inny sposób i do innych celów niż te, do których zostały udostępnione, jest zabronione. W szczególności niedopuszczalne jest: usuwanie nazwiska autora, edytowanie treści, kopiowanie fragmentów i wykorzystywanie w całości lub w części do własnych publikacji. Eligiusz Pawłowski PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 2
Uwagi dydaktyczne Niniejsza prezentacja stanowi tylko i wyłącznie materiały pomocnicze do wykładu z przedmiotu Pomiary Wielkości Nieelektrycznych prowadzonego dla studentów Wydziału Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej. Udostępnienie studentom tej prezentacji nie zwalnia ich z konieczności sporządzania własnych notatek z wykładów ani też nie zastępuje samodzielnego studiowania obowiązujących podręczników. Tym samym zawartość niniejszej prezentacji w szczególności nie może być traktowana jako zakres materiału obowiązujący na kolokwium. Na kolokwium obowiązujący jest zakres materiału faktycznie wyłożony podczas wykładu oraz zawarty w odpowiadających mu fragmentach podręczników podanych w wykazie literatury do wykładu. Eligiusz Pawłowski PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 3
Tematyka wykładu Informacje organizacyjne, kolokwia, laboratorium Literatura podstawowa i dodatkowa Przypomnienie podstawowych wiadomości o pomiarach System pomiarowy Przetwornik pomiarowy w strukturze toru pomiarowego PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 4
Informacje organizacyjne Przedmiot: Pomiary Wielkości Nieelektrycznych Zaliczenie: bez egzaminu, na podstawie dwóch sprawdzianów w następujących terminach: 29-04-2015, 17-06-2015 na początku wykładów, środa, godz.8:15, sala E-301. Udokumentowana obecność na wykładzie jest premiowana dodatkowymi punktami doliczanymi do wyników kolokwiów: 1 punkt za 1 godzinę obecności na wykładzie. Zajęcia powiązane z wykładem : Laboratorium PWN, 30 godz. (10x3godz) rozpoczną się od dnia 17-03-2015 (wtorek), sala E-305, zgodnie z grafikiem odrabiania laboratorium (8 grup laboratoryjnych maks. po 15 osób) Prowadzący: dr inż. Eligiusz Pawłowski Konsultacje: pok. E-318 (2 piętro WEiI), środa godz. 12 13 Wymiar wykładu: 15 tyg. x 2 godz. = 30 godz. Wymiar laboratorium: 10 tyg. x 3 godz. = 30 godz. Program, literatura itp.: gablota ogłoszeniowa przy pok. E-318 PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 5
Literatura podstawowa do przedmiotu 1.Miłek M.: Metrologia elektryczna wielkości nieelektrycznych, Oficyna wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, Zielona Góra 2006. 2.Piotrowski J. (red.): Pomiary. Czujniki i metody pomiarowe wybranych wielkości fizycznych i składu chemicznego, WNT, Warszawa 2009. 3.Michalski L., Eckersdorf K., Kucharski J.: Termometria. Przyrządy i metody, Wyd. Politechniki Łódzkiej, Łódź 1998. 4.Romer E.: Miernictwo przemysłowe, PWN, Warszawa 1978. 5.Łapiński M.: Pomiary elektryczne i elektroniczne wielkości nieelektrycznych, WNT, Warszawa 1974. PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 6
Literatura dodatkowa do przedmiotu 1.Gajek A., Juda Z.: Czujniki, WKiŁ, Warszawa 2009. 2.Bosch R.: Czujniki w pojazdach samochodowych, WKiŁ, Warszawa 2009. 3.Chwaleba A., Czajewski J.: Przetworniki pomiarowe wielkości fizycznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1993. 4.Szumielewicz B., Słomski B., Styburski W.: Pomiary elektroniczne w technice, WNT Warszawa 1982. 5.Łapiński M., Włodarski W.: Miernictwo elektryczne wielkości nieelektrycznych. Czujniki pomiarowe, WNT, Warszawa 1968. PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 7
Literatura dodatkowa do przedmiotu c.d. 6.Kester W. (red.) Practical design techniques for sensor signal conditioning, Analog Devices Inc. USA 1999. 7.Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna, WNT, Warszawa 2009. 8. Tumański S.: Technika Pomiarowa, WNT, Warszawa 2007. 9. P.H.Sydenham (redakcja) - Podręcznik metrologii cz. I i II, WKiŁ, W-wa 1988r., 1990. 10.Nawrocki W.: Komputerowe systemy pomiarowe, WKiŁ, Warszawa 2002. 11.Międzynarodowy słownik metrologii. Pojęcia podstawowe i ogólne oraz terminy z nimi związane, Przewodnik PKN- ISO/IEC Guide 99, PKN, Warszawa 2010. PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 8
Standardy kształcenia dla kierunku Elektrotechnika Rozporządzenie Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 12 lipca 2007 r. w sprawie standardów kształcenia dla poszczególnych kierunków oraz poziomów kształcenia, a także trybu tworzenia i warunków, jakie musi spełniać uczelnia, by prowadzić studia międzykierunkowe oraz makrokierunki, Dz.U. 2007 nr 164 poz. 1166 Źródło: Sejm RP, http://isip.sejm.gov.pl/ PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 9
Kwalifikacje absolwenta II stopnia kierunku Elektrotechnika Absolwent posiada zaawansowaną i ugruntowaną wiedzę z zakresu projektowania, konstruowania, funkcjonowania i testowania urządzeń elektrycznych oraz komputerowych systemów pomiarowych i systemów sterowania cyfrowego. Posiada umiejętności stosowania właściwych narzędzi informatycznych i elektronicznych. Jest zdolny do pracy twórczej oraz do podejmowania decyzji i kierowania zespołami pracowniczymi. Jest przygotowany do podjęcia studiów trzeciego stopnia (doktoranckich). PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 10
Treści i efekty kształcenia 3. Kształcenie w zakresie pomiarów elektrycznych wielkości nieelektrycznych Treści kształcenia: Struktura toru pomiarowego. Definicje czujników i przetworników. Podstawy tensometrii oporowej. Pomiary: masy, siły, momentów siły, mocy mechanicznej, drgań, przyspieszeń, ciśnienia, przepływu, temperatury, mocy i energii cieplnej. Pomiary akustyczne. Pomiary wilgotności. Efekty kształcenia umiejętności i kompetencje: całościowego rozwiązywania problemów z zakresu pomiaru wielkości nieelektrycznych. PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 11
Podstawowe definicje (przypomnienie) POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH Co to jest pomiar? Co to jest wielkość? Co to są wielkości nieelektryczne? PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 12
Pomiar szczególny rodzaj eksperymentu Eksperyment jest to celowe działanie prowadzące do uzyskania informacji o otaczających nas obiektach i zjawiskach. Informacja ta może mieć charakter: - jakościowy (odpowiada na pytania typu: jakie coś jest? ) Np.: duże, małe, okrągłe, kwadratowe, zielone, czerwone, brzydkie, ładne, słodkie, kwaśne, ciekawe, nudne... - ilościowy (odpowiada na pytanie: ile czegoś jest?) Co to jest Obiekt pomiaru? Np.: 2 kilogramy, 3 metry, 10 omów, 40µT, 1 mol (6,02214179 10 23 ) cząsteczek tlenu, 12 jabłek... PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 13
Obiekt pomiaru co to jest? Obiekt pomiaru zbiór cech rozróżnialnych jakościowo. Cecha pojęcie pierwotne, nie definiowane (coś, co opisuje pewne własności obiektu). PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 14
Wielkość (fizyczna) i jej wartość To już znamy! Wielkość (fizyczna, mierzona) cecha obiektu (ciała, substancji, zjawiska) którą można wyróżnić jakościowo i określić ilościowo. Wartość (wielkości) ilościowe wyrażenie wielkości poprzez podanie liczby i jednostki miary. Uwaga! Nie wolno mylić pojęć Wielkość i Wartość Bez sensu!!! Wartość wielkości Wielkość wartości PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 15
Wielkości fizyczne podlegające pomiarom 1.Wielkości elektryczne - mierzone bezpośrednio przez system pomiarowy (zbudowany również z komponentów wykorzystujących zjawiska elektryczne) bez potrzeby stosowania dodatkowych czujników. 2.Wielkości nieelektryczne - mierzone z użyciem czujników (sensorów) z wyjściem elektrycznym. PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 16
Wielkości elektryczne 1.Napięcie 2.Prąd, ładunek elektryczny 3.Moc i energia elektryczna 4.Rezystancja, pojemność, indukcyjność PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 17
przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa Wielkości nieelektryczne najczęściej podlegające pomiarom 1.Wielkości cieplne: temperatura, moc cieplna, energia cieplna 2.Wielkości mechaniczne: siła, masa, natężenie przepływu, położenie, przesunięcie, odkształcenie, kąt obrotu, prędkość liniowa i obrotowa, drgania, ciśnienie 3.Wielkości magnetyczne: indukcja, natężenie pola magnetycznego 4.Skład chemiczny: stężenie jonów wodorowych (ph), wilgotność, skład mieszanin (zawartość tlenu w wodzie, powietrzu) 5.Właściwości materii: gęstość, lepkość, barwa, współczynnik załamania światła 6.Parametry promieniowania: świetlnego, jonizującego, cieplnego PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 18 przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa - przerwa
Pomiar definicje (dwie z wielu możliwych) PKN-ISO/IEC, Międzynarodowy słownik metrologii: Wcześniej (1996r.): Pomiar jest to zbiór operacji mający na celu wyznaczenie wartości wielkości. Obecnie (2010r.): Pomiar jest to proces doświadczalnego wyznaczenia jednej lub więcej wartości wielkości, które w zasadny sposób mogą być przyporządkowane wielkości. PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 19
Pomiar - właściwości 1.Nie ma jednoznacznej definicji pomiaru. 2.Pomiar jest eksperymentem, zawsze wymaga wykonania pewnych czynności. 3.Po przeprowadzeniu pomiaru otrzymujemy jakąś liczbę, która opisuje ilościowo stan jakiejś cechy obiektu. 4.Wynik pomiaru zawiera zawsze liczbę i jednostkę miary. 5.Wynik pomiaru jest niedokładny i niepowtarzalny. PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 20
Wynik pomiaru Wynik pomiaru = Liczba * jednostka miary Przykład: R = 120 Ω Wnioski - Wynik pomiaru odpowiada na pytanie: ile czegoś jest? - Do wykonania pomiaru niezbędna jest jednostka miary PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 21
Pomiar i wynik pomiaru - schematycznie PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 22
Schemat funkcjonalny procesu pomiarowego W procesie pomiarowym wykorzystywanych jest wiele elementów składowych, stanowiących łącznie system pomiarowy PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 23
System pomiarowy definicja klasyczna System pomiarowy jest to zbiór narzędzi pomiarowych tak zorganizowany, że może być użyty do wykonania pomiaru. Do narzędzi pomiarowych zaliczamy: wzorce miar (odtwarzają wzorcową wartość danej wielkości), przyrządy pomiarowe (przetwarzają wielkość mierzoną na wskazanie), przetworniki pomiarowe (przetwarzają wielkość mierzoną na równoważną informację). Są niezbędne do pomiarów wielkości nieelektrycznych!!! Szczególnym rodzajem przetworników pomiarowych są czujniki. PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 24
Przyrząd pomiarowy Przyrząd pomiarowy urządzenie przeznaczone do wykonywania pomiarów, samodzielnie lub w połączeniu z jednym lub wieloma urządzeniami dodatkowymi. Wyróżnia się przyrządy pomiarowe: wskazujące, rejestrujące, sumujące, całkujące, analogowe, cyfrowe. Przyrząd pomiarowy wskazujący przyrząd pomiarowy, za pomocą którego otrzymuje wskazanie (wynik pomiaru). PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 25
Przetwornik pomiarowy Przetwornik pomiarowy urządzenie pomiarowe przetwarzające, zgodnie z określonym prawem, wielkość wejściową na wielkość wyjściową. Wielkość wejściowa i wyjściowa nazywane są ogólnie sygnałami pomiarowymi. PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 26
Sygnał pomiarowy Sygnał pomiarowy wielkość reprezentująca wielkość mierzoną i związana z nią funkcjonalnie. Sygnał pomiarowy jest określony poprzez rodzaj nośnika sygnału i parametr sygnału. Nośnik sygnału pomiarowego jest to wielkość opisująca proces energetyczny przenoszący informację (np.: prąd, napięcie). Parametr sygnału pomiarowego jest funkcją realizowaną na nośniku sygnału pomiarowego (np.: amplituda, wartość skuteczna, częstotliwość, okres, wypełnienie) PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 27
Układ pomiarowy i system pomiarowy Układ pomiarowy kompletny zbiór przyrządów pomiarowych i innych zestawionych urządzeń, przeznaczony do wykonywania określonych pomiarów. Układ pomiarowy może stanowić również pojedynczy przyrząd pomiarowy. System pomiarowy jest podporządkowany wspólnemu celowi i ogólnemu algorytmowi działania, przeznaczony do automatycznego pozyskiwania informacji bezpośrednio z obiektu, w celu przekształcenia, pomiaru, przetworzenia i przedstawienia w formie dostosowanej do wykorzystania przez człowieka oraz dla wprowadzenia do zautomatyzowanego urządzenia sterującego PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 28
Czujnik Czujnik (sensor) element przyrządu pomiarowego lub łańcucha pomiarowego, na który oddziaływuje bezpośrednio wielkość mierzona, początkowy przetwornik pomiarowy w łańcuchu pomiarowym. Zadaniem czujnika jest zamiana wielkości wejściowej nieelektrycznej na wielkość wyjściową elektryczną, według jednoznacznej, powtarzalnej i znanej zależności funkcyjnej, najlepiej liniowej: Y=f(X) Pojęcia czujnik nie należy mylić z detektorem i wskaźnikiem PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 29
Detektory i wskaźniki Detektory i wskaźniki są to urządzenia wskazujące istnienie pewnego zjawiska, bez konieczności podawania wartości wielkości związanej z tym zjawiskiem. Nie zaliczają się one do narzędzi pomiarowych, w szczególności nie podają one wyniku pomiaru. Detektory zazwyczaj tylko wykrywają i sygnalizują przekroczenie progu detekcji przez nadzorowaną wielkość (np.: detektor ulatniającego się gazu, używane jest również zamiennie słowo czujka ), Wskaźniki zazwyczaj sygnalizują w przybliżeniu poziom nadzorowanej wielkości na uproszczonej skali z zaznaczonymi wartościami progowymi (np.: samochodowy wskaźnik temperatury silnika, wskaźnik poziomu paliwa, papierek lakmusowy). PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 30
Tor pomiarowy Tor pomiarowy (łańcuch pomiarowy) ciąg elementów przyrządu pomiarowego lub układu pomiarowego, tworzący drogę sygnału pomiarowego od wejścia do wyjścia. Początkowym elementem toru pomiarowego jest czujnik (sensor), a ostatnim elementem jest przyrząd pomiarowy wskazujący. Tor pomiarowy jest tą częścią systemu pomiarowego, przez którą przechodzi sygnał pomiarowy, od jego wejścia do wyjścia. PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 31
Struktura łańcuchowa toru pomiarowego Przyrząd pomiarowy wskazujący często w skrócie nazywany jest wskaźnikiem, niepoprawnie i myląco (patrz Detektory i wskaźniki) Wszystkie elementy łańcucha pomiarowego spełniają funkcje metrologiczne, występują w nim tylko narzędzia pomiarowe. PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 32
Podsumowanie 1.Człowiek poznaje otaczającą go rzeczywistość pozyskując informacje jakościowe i ilościowe. 2.Obiekt pomiaru jest zbiorem cech rozróżnialnych jakościowo. 3.Pomiar dostarcza informacji ilościowej o obiekcie. 4.Wynikiem pomiaru jest liczba i jednostka miary. 5.Do wykonania pomiaru niezbędne jest użycie systemu pomiarowego. 6.Częścią systemu jest tor pomiarowy. 7.Tor pomiarowy ma strukturę łańcucha przetworników pomiarowych. 8.Początkowym elementem toru pomiarowego jest czujnik (sensor). 9.Ostatnim elementem toru pomiarowego jest wskaźnik. PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 33
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ PWN, tydzień 1 dr inż. Eligiusz Pawłowski 34